JP7150504B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
近年、低消費電量や高速読み出しに適したＣＭＯＳイメージセンサを使用した撮像システム（デジタルスチルカメラやカムコーダーなど）が広く一般に普及している。ＣＭＯＳイメージセンサは、更なる特性向上が望まれており、その１つとしてダイナミックレンジを広くすることが挙げられる。特許文献１には、画素部で取り扱える電荷の量を大きくすることにより高ダイナミックレンジを実現する技術が記載されている。
国際公開第２００５／０８３７９０号
しかしながら、より高品質な画像を取得するために、出力信号のダイナミックレンジの更なる拡大が望まれている。
本発明の目的は、出力信号のダイナミックレンジを拡大しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、第１の電源電圧が供給され、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された第１のノード及び前記第１の電源電圧とは異なる第２の電源電圧が供給される第２のノードを有するダイオードと、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記ダイオードを介して流れる前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力する固体撮像装置が提供される。
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された対数圧縮変換部と、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記対数圧縮変換部が対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、前記第１の信号及び前記第２の信号の各々に対して所定の信号処理を実施する信号処理部を更に有し、前記信号処理部は、前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する固体撮像装置が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続されたダイオードと、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第１の電圧とし、前記光電変換部から前記入力ノードに電荷を転送し、前記入力ノードに転送された前記電荷を対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第２の電圧とし、前記増幅部が、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、前記ダイオードによって前記対数圧縮が行われ、前記ダイオードの閾値電圧に応じて定められる第３の電圧に前記入力ノードを設定する固体撮像装置の駆動方法が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続されたＭＯＳトランジスタと、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第１の電圧とし、前記光電変換部から前記入力ノードに電荷を転送し、前記入力ノードに転送された前記電荷を対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第２の電圧とし、前記増幅部が、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、前記ＭＯＳトランジスタによって前記対数圧縮が行われ、前記ＭＯＳトランジスタをサブスレショルド領域で動作したときに前記ＭＯＳトランジスタの閾値電圧に応じて定められる第３の電圧に前記入力ノードを設定する固体撮像装置の駆動方法が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された対数圧縮変換部と、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記対数圧縮変換部が対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力することを特徴とする固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを有する撮像システムであって、前記信号処理部は、前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する撮像システムが提供される。
本発明によれば、ダイオードやＭＯＳトランジスタのサブスレショルド特性を利用して得られる対数圧縮信号と、フォトダイオードに蓄積された電荷の転送動作によって読み出されるリニア信号と、を連続して読み出すことができる。これにより、時間同時性に優れた対数圧縮信号とリニア信号とに基づき、ダイナミックレンジの広い高品質な画像を取得することができる。
本発明の第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素のポテンシャル分布を示す図である。 ダイオード及びＭＯＳトランジスタのサブスレショルド領域におけるＩ－Ｖ特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の動作を示すポテンシャル図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の動作を示すポテンシャル図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像装置の信号処理方法を示すフローチャートである。 本発明の第１及び第２実施形態による固体撮像装置の光電変換特性を示すグラフである。 第１実施形態の変形例による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第４実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図７を用いて説明する。
はじめに、本実施形態による固体撮像装置について、図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。図４は、本実施形態による固体撮像装置の画素のポテンシャル分布を示す図である。図５は、ダイオード及びＭＯＳトランジスタのサブスレショルド領域におけるＩ－Ｖ特性を示すグラフである。
本実施形態による固体撮像装置１００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、列信号処理回路３０と、水平走査回路４０と、出力回路５０と、制御回路６０と、を有している。
画素領域１０には、複数の行及び複数の列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。各々の画素１２は、フォトダイオード等の光電変換素子からなる光電変換部を含み、入射光の光量に応じた画素信号を出力する。画素領域１０に配される画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、入射光の光量に応じた画素信号を出力する有効画素のほか、光電変換部が遮光されたオプティカルブラック画素や、信号を出力しないダミー画素などが配置されていてもよい。
画素領域１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１において横方向）に延在して、制御線１４が配されている。制御線１４の各々は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と呼ぶことがある。制御線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。
画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１において縦方向）に延在して、出力線１６が配されている。出力線１６の各々は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。出力線１６の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と呼ぶことがある。出力線１６は、列信号処理回路３０に接続されている。
垂直走査回路２０は、画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、画素アレイの各行に設けられた制御線１４を介して画素１２に供給する制御回路部である。垂直走査回路２０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。行単位で画素１２から読み出された信号は、画素アレイの各列に設けられた出力線１６を介して列信号処理回路３０に入力される。
列信号処理回路３０は、各列の画素１２から出力線１６を介して読み出された信号に対して所定の信号処理、例えば、増幅処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を実施する回路部である。画素１２から出力される信号には、リニア信号と、対数圧縮信号と、が含まれる。列信号処理回路３０は、画素１２から出力されるリニア信号及び対数圧縮信号の各々に対して所定の信号処理を実施する。列信号処理回路３０は、信号保持部、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路、Ａ／Ｄ変換回路、列メモリ等を含み得る。なお、リニア信号及び対数圧縮信号については後述する。
水平走査回路４０は、列信号処理回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路５０に転送するための制御信号を、列信号処理回路３０に供給する回路部である。水平走査回路４０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。出力回路５０は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路４０によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。
制御回路６０は、垂直走査回路２０、列信号処理回路３０及び水平走査回路４０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、列信号処理回路３０及び水平走査回路４０に供給する制御信号の一部又は総ては、固体撮像装置１００の外部から供給してもよい。
画素１２の各々は、図２に示すように、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴＸと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬと、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯと、スイッチトランジスタＳＷと、を有する。
フォトダイオードＰＤのアノードは、接地ノードに接続されている。フォトダイオードＰＤのカソードは、転送トランジスタＴＸのドレインに接続されている。転送トランジスタＴＸのソースは、スイッチトランジスタＳＷのソース、リセットトランジスタＲＥＳのソース及び増幅トランジスタＳＦのゲートに接続されている。転送トランジスタＴＸのソースと、スイッチトランジスタＳＷのソースと、リセットトランジスタＲＥＳのソースと、増幅トランジスタＳＦのゲートとの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン）部ＦＤである。浮遊拡散部ＦＤは、容量成分（浮遊拡散容量）を含み、電荷保持部としての機能を備える。図２には、浮遊拡散部ＦＤに結合されたこの容量成分を容量素子で表している。
リセットトランジスタＲＥＳのドレインは、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄが供給されるノードに接続されている。リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄは、少なくとも第１の電圧と第２の電圧の２値を取り得るように制御される。第１の電圧は、例えば電源電圧（例えば３．３Ｖ）である。第２の電圧は、例えばリセットトランジスタＲＥＳの閾値電圧よりも０．２Ｖ以上低い電圧（例えば１．０Ｖ）である。
スイッチトランジスタＳＷのドレインは、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯのカソードに接続されている。ｐｎ接合ダイオードＤＩＯのアノードは、電圧ＶＤＤが供給される電源ノードに接続されている。増幅トランジスタＳＦのドレインは、電圧ＶＤＤが供給される電源ノードに接続されている。増幅トランジスタＳＦのソースは、選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続されている。
画素領域１０の各列に配された出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＳＥＬのソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＳＥＬは、省略してもよい。この場合、出力線１６は、増幅トランジスタＳＦのソースに接続される。出力線１６には、図示しない電流源が接続されている。
図２に示す画素構成の場合、画素領域１０に配された各行の制御線１４は、制御信号ｐｔｘを供給する信号線と、制御信号ｐｒｅｓを供給する制御線と、制御信号ｐｓｅｌを供給する制御線と、制御信号ｐｓｗを供給する制御線と、を含む。制御信号ｐｔｘは、垂直走査回路２０から制御線１４を介して、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＴＸのゲートに供給される。制御信号ｐｒｅｓは、垂直走査回路２０から制御線１４を介して、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＲＥＳのゲートに供給される。制御信号ｐｓｅｌは、垂直走査回路２０から制御線１４を介して、対応する行に属する画素１２の選択トランジスタＳＥＬのゲートに供給される。制御信号ｐｓｗは、垂直走査回路２０から制御線１４を介して、対応する行に属する画素１２のスイッチトランジスタＳＷのゲートに供給される。各トランジスタがＮ型トランジスタで構成される場合、垂直走査回路２０からハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンとなる。また、垂直走査回路２０からローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフとなる。
なお、制御信号ｐｒｅｓは、少なくとも、第１のレベルと、第２のレベルと、を含む。第１のレベルは、リセットトランジスタＲＥＳをオン状態（強反転状態）に制御するレベルの電圧（例えば、電源電圧（３．３Ｖ））である。第２のレベルは、リセットトランジスタＲＥＳをオフ状態（蓄積状態）に制御するレベルの電圧（例えば、ＧＮＤ電圧）である。
画素領域１０の各列に配された出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＳＥＬのソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＳＥＬは、省略してもよい。この場合、出力線１６は、増幅トランジスタＳＦのソースに接続される。出力線１６には、図示しない電流源が接続されている。この電流源は、図示しないバイアス回路部により制御される。
フォトダイオードＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは電子）に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードＰＤが保持する電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する転送部である。浮遊拡散部ＦＤは、フォトダイオードＰＤから転送された電荷を保持するとともに、増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＳＦのゲート）の電圧を、浮遊拡散部ＦＤの容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。浮遊拡散部ＦＤは、電荷をその量に比例する電圧に変換する電荷電圧変換部である。リセットトランジスタＲＥＳは、浮遊拡散部ＦＤを、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄに応じた所定の電圧にリセットするリセット部である。選択トランジスタＳＥＬは、出力線１６に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＳＦは、ドレインに電圧ＶＤＤが供給され、ソースに選択トランジスタＳＥＬを介して図示しない電流源からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＳＦは、浮遊拡散部ＦＤの電圧に基づく増幅信号を、選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力する。
ｐｎ接合ダイオードＤＩＯ及びスイッチトランジスタＳＷは、フォトダイオードＰＤから転送トランジスタＴＸを介して浮遊拡散部ＦＤにオーバーフローして流入する電流Ｉ＿ＯＦＤを対数圧縮して電圧に変換するための対数圧縮変換部として機能する。スイッチトランジスタＳＷは、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯと浮遊拡散部ＦＤとの間の接続状態（導通状態と非導通状態）を制御するためのスイッチである。
なお、対数圧縮変換部は、電流Ｉ＿ＯＦＤを対数圧縮電圧に変換するｐｎ接合ダイオードＤＩＯの機能と、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯと浮遊拡散部ＦＤとの間の導通・非導通を制御する機能とを実現できるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、対数圧縮変換部の機能は、リセットトランジスタＲＥＳを代用して動作させることにより実現することも可能である（第２実施形態を参照）。
図３は、画素１２の部分断面図である。図３には、一の画素１２のフォトダイオードＰＤ（図３中、ＰＤ１と表記する）、転送トランジスタＴＸ及び浮遊拡散部ＦＤと、当該一の画素１２に隣接する他の画素１２のフォトダイオードＰＤ（図３中、ＰＤ２と表記する）と、を示している。また、図３には、浮遊拡散部ＦＤに接続される対数圧縮変換部を回路図により表している。
フォトダイオードＰＤは、半導体基板１１０の表面部に設けられた第１導電型の半導体領域１１２と、半導体領域１１２の下部に設けられた第２導電型の半導体領域１１４と、半導体基板１１０の深部に設けられた第１導電型の半導体領域１１６と、を含む。半導体領域１１２は、半導体基板１１０の表面部の欠陥（典型的には、半導体基板とその上に設けられる酸化シリコン膜等の絶縁膜との間の界面欠陥）を介した暗電流を抑制するピニング層である。半導体領域１１４は、光電変換により生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積層であり、半導体領域１１２との間にｐｎ接合を形成する。半導体領域１１６は、半導体基板１１０のより深部からの暗電流を抑制する埋め込み層である。信号電荷として電子を利用する場合、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である。すなわち、半導体領域１１２，１１６はｐ型半導体領域であり、半導体領域１１４はｎ型半導体領域である。
浮遊拡散部ＦＤは、半導体領域１１４から離間して半導体基板１１０の表面部に設けられた第２導電型の半導体領域１１８により構成される。半導体領域１１４と半導体領域１１８との間の半導体基板１１０の上方には、ゲート絶縁膜１２０を介して、ゲート電極１２２が設けられている。これにより、半導体領域１１４をドレイン、半導体領域１１８をソース、ゲート電極１２２をゲートとする転送トランジスタＴＸが構成されている。
画素１２間の領域には、素子分離絶縁部１２４と、第１導電型の半導体領域１２６，１２８，１３０とが設けられている。素子分離絶縁部１２４は、例えば、半導体基板１１０の表面部に設けられた素子分離溝に埋め込まれた絶縁材料により構成され得る。半導体領域１２６，１２８，１３０は、素子分離絶縁部１２４と半導体領域１１８との間を接続するように異なる深さに設けられている。なお、本明細書では、素子分離絶縁部１２４及び半導体領域１２６，１２８，１３０を、素子分離部ＩＳＯと表記することがある。
フォトダイオードＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは電子）に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷を半導体領域１１４に蓄積する。これにより、フォトダイオードＰＤは、光センサとして機能する。画素１２の感度は、深さ方向はピニング層としての半導体領域１１２から埋め込み層としての半導体領域１１６までの範囲によって規定され、水平方向は素子分離部ＩＳＯによって規定される。
フォトダイオードＰＤの飽和電荷量は、概ね電荷蓄積層（半導体領域１１４）の不純物濃度によって規定される。フォトダイオードＰＤにおいて飽和電荷量を超える電荷が発生した場合には、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤとして、隣接する画素１２、半導体基板１１０、浮遊拡散部ＦＤなどに向かって溢れ出す。隣接する画素１２へ溢れ出した電流は、いわゆるブルーミングと呼ばれる画質の劣化を引き起こす。半導体基板１１０へ溢れ出した電流は、半導体基板１１０を介して排出される。
本実施形態による撮像装置においてはこのオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤが浮遊拡散部ＦＤに溢れ出すようにポテンシャル設計を施すことによって、光信号の一部として活用する構成としている。例えば、図３に示す等価回路のように、浮遊拡散部ＦＤにｐｎ接合ダイオードＤＩＯを接続し、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤを対数圧縮電圧として取り出す。このように構成することにより、高光量の入射光を比較的扱いやすい電圧振幅（～０．５Ｖ）で読み出すことができる。
図４は、転送トランジスタＴＸがオフの場合における図３のＡ－Ａ′線に沿った１次元ポテンシャルを示すポテンシャル図である。図３の点Ａ点から点Ａ′に至る部位は順番に、隣接画素の電荷蓄積層（ＰＤ２）、素子分離部（ＩＳＯ）、自画素の電荷蓄積層（ＰＤ１）、転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）、浮遊拡散部（ＦＤ）、素子分離部（ＩＳＯ）である。図４では、信号電荷が電子である場合を考慮して、正電位方向を下向きに表し、負電位方向を上向きに表している。
ポテンシャル図は、蓄積される電荷（ここでは電子）を貯めるバケツを模式的に表したものと考えると理解しやすい。例えば、フォトダイオードの電荷蓄積層（ＰＤ１）は電荷を総て排出した状態（空乏化電圧Ｖｄｅｐ＝２Ｖ）であるとする。また、素子分離部（ＩＳＯ）には、不図示の電極を介して０Ｖが与えられているものとする。また、転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）の電位は０．５Ｖであるものとする。この場合、電荷蓄積層（ＰＤ１）と素子分離部（ＩＳＯ）との間には、電荷蓄積層（ＰＤ１）の電位と素子分離部（ＩＳＯ）の電位との間の電位差２Ｖに対応したポテンシャル障壁が存在する。また、転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）と電荷蓄積層（ＰＤ１）との間には、オフ状態の転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）の電位と電荷蓄積層（ＰＤ１）の電位との間の電位差１．５Ｖに対応したポテンシャル障壁が存在する。電荷蓄積層（ＰＤ１）の蓄積電荷量が飽和電荷量を超えた場合、超えた分の電荷はポテンシャル障壁のより低い方向に溢れ出す。上記の例の場合、飽和電荷量を超えた電荷は、転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）のポテンシャル障壁を越え、浮遊拡散部ＦＤに向かって溢れ出す。
電荷蓄積層（ＰＤ１）に蓄積できる上限の電荷量（飽和電荷量Ｑ）は、転送トランジスタのチャネル部（ＴＸ）の電位と電荷蓄積層（ＰＤ１）の電位との間の電位差を１．５Ｖ、電荷蓄積層（ＰＤ１）の電荷蓄積容量をＣとすると、Ｑ＝１．５×Ｃとなる。
図５（ａ）は、ｐｎ接合ダイオードの一般的な電流－電圧特性を示すグラフである。横軸はアノード－カソード間の電位差Ｖｐｎを表し、縦軸は対数軸表示の電流値Ｉｐｎ（Ｌｏｇ Ｉｐｎ）を表している。
シリコンのダイオードにおけるサブスレショルド領域の理想的なスロープファクターＳは、図５（ａ）に示すように、６０ｍＶ／ｄｅｃ程度である。つまり、電位差Ｖｐｎが６０ｍＶ変化する毎に、電流量が１桁変化する。また、閾値電圧付近における電流量が１×１０－７Ａ～１×１０－６Ａ程度であると仮定すると、１秒間に１×１０１２個程度の電子が流れている計算になる。５μｍ×５μｍ程度のサイズの画素における電荷蓄積層の飽和電荷量（電子数）が１×１０５個程度であることを考慮すると、１秒間に流れる電荷量は７桁程度大きいことになる。したがって、ｐｎ接合ダイオードのサブスレショルド特性を利用することで、非常に広い光量範囲に対応する信号を取り出すことが可能となる。
図５（ｂ）は、ＭＯＳトランジスタの一般的なＩｄｓ－Ｖｇｓ特性を示すグラフである。横軸はゲート－ソース間の電圧Ｖｇｓを表し、縦軸は対数軸表示のドレイン－ソース間電流Ｉｄｓ（Ｌｏｇ Ｉｄｓ）を表している。
図５（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタのＩｄｓ－Ｖｇｓ特性は、サブスレショルド領域の理想的なスロープファクターＳが１００ｍＶ／ｄｅｃ程度である点を除けば、概ね図５（ａ）に示すｐｎ接合ダイオードの特性と同様である。つまり、ＭＯＳトランジスタにおいても、ｐｎ接合ダイオードの場合と同様、サブスレショルド特性を利用することで、非常に広い光量範囲に対応する信号を取り出すことが可能となる。
本明細書では、ダイオードやＭＯＳトランジスタにおけるサブスレショルド領域の特性を利用し、電流を対数圧縮して電圧に変換することにより得た信号を、対数圧縮信号と呼ぶものとする。また、容量素子による電荷電圧変換を利用して、電荷をその量に比例する電圧に変換することにより得た信号を、リニア信号と呼ぶものとする。
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図７は、本実施形態による固体撮像装置の動作を示すポテンシャル図である。
図６は、１つの画素１２に着目して１フレーム分の動作を表したタイミングチャートである。図には、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄ、制御信号ｐｓｗ，ｐｓｅｌ，ｐｒｅｓ，ｐｔｘ、電流Ｉ＿ＤＩＯ、電圧Ｖ＿ＰＤ、電圧Ｖ＿ＦＤを示している。リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄは、リセットトランジスタＲＥＳのドレインに供給される電圧である。制御信号ｐｓｗは、スイッチトランジスタＳＷのゲートに供給される信号である。制御信号ｐｓｅｌは、選択トランジスタＳＥＬのゲートに供給される信号である。制御信号ｐｒｅｓは、リセットトランジスタＲＥＳのゲートに供給される信号である。制御信号ｐｔｘは、転送トランジスタＴＸのゲートに供給される信号である。電流Ｉ＿ＤＩＯは、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯに流れる電流である。電圧Ｖ＿ＰＤは、フォトダイオードＰＤ（電荷蓄積層）の電圧である。電圧Ｖ＿ＦＤは、浮遊拡散部ＦＤの電圧である。
画素１２を構成する各トランジスタはＮ型トランジスタであり、ハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンになり、ローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフになるものとする。
時刻ｔ０より前において、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄは電圧Ｖ１、制御信号ｐｒｅｓはハイレベル（電圧Ｖ３）、制御信号ｐｓｗ，ｐｓｅｌ，ｐｔｘはローレベルであるものとする。この状態においてリセットトランジスタＲＥＳはオンであり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ１が書き込まれる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、電圧Ｖ１に等しい電圧Ｖ８となる。電圧Ｖ１（リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄ）は、例えば電源電圧の３．３Ｖに設定することができる。
次いで、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをハイレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸがオンとなり、フォトダイオードＰＤは、リセットトランジスタＲＥＳ及び転送トランジスタＴＸを介して、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄに応じた電圧にリセットされる。このとき、フォトダイオードＰＤは空乏化するため、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、空乏化電圧（電圧Ｖ６、例えば２．０Ｖ）までは上昇するが、電圧Ｖ＿ＦＤと同じ電圧にはならない。以上の動作により、フォトダイオードＰＤ内の電荷が総て排出される。
次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをローレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸがオフとなり、フォトダイオードＰＤは浮遊拡散部ＦＤから切り離されフローティング状態となる。そして、光入射によりフォトダイオードＰＤで発生した電荷は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層に蓄積されていく。時刻ｔ１は、フォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積の開始時刻である。時刻ｔ１以降、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、フォトダイオードＰＤへの電荷の蓄積に伴って電圧Ｖ６から徐々に低下していく。図７（ａ）は、フォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積の開始直後（時刻ｔ１）におけるポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ２において、垂直走査回路２０又は制御回路６０により、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄを、電圧Ｖ１から、電圧Ｖ１よりも低い電圧である電圧Ｖ２に制御する。電圧Ｖ２は、例えば１．０Ｖに設定することができる。このとき、リセットトランジスタＲＥＳはオンであり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ２が書き込まれる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤを、電圧Ｖ８よりも低い電圧である電圧Ｖ９に設定する。電圧Ｖ９は、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯを、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯの閾値電圧よりも高い動作点に設定するための電圧である。
次いで、時刻ｔ３において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓをローレベルに制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳがオフとなり、浮遊拡散部ＦＤはリセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄの供給ノードから切り離されてフローティング状態となる。図７（ｂ）は、時刻ｔ３の直後におけるポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ４において、垂直走査回路２０又は制御回路６０により、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄを、電圧Ｖ２から、電圧Ｖ１に制御する。
次いで、時刻ｔ５において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｗをハイレベルに制御する。これにより、スイッチトランジスタＳＷがオンとなり、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯに、図５（ａ）に示すＩ－Ｖ特性に応じた電流Ｉ＿ＤＩＯが流れ、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが上昇していく。これに伴い、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯのアノード－カソード間の電位差Ｖｐｎが小さくなっていき、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯの閾値電圧付近において電流Ｉ＿ＤＩＯが急激に減少する。この結果、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯの閾値電圧に応じた電圧Ｖ１０となる。すなわち、電圧Ｖ１０は、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯの閾値電圧に応じて定められる電圧である。
時刻ｔ６は、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯのアノード－カソード間の電位差Ｖｐｎが閾値電圧未満となって電流Ｉ＿ＤＩＯが流れなくなり（ｐｎ接合ダイオードＤＩＯがオフ）、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１０となる時刻である。図７（ｃ）は、時刻ｔ６の直後におけるポテンシャル図である。
また、同じく時刻ｔ５において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをハイレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオンにする。これにより、画素１２が選択状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤに応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１０である時刻ｔ６以降に画素１２から出力される電圧信号が、対数圧縮信号に対する基準信号Ｎ１となる。
次いで、時刻ｔ６以降の時刻ｔ７において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをローレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオフにする。これにより、画素１２の選択が解除される。
続く時刻ｔ８において、時刻ｔ１から開始されているフォトダイオードＰＤにおける電荷の蓄積動作により、電荷蓄積層に蓄積されている電荷の量がフォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えたものとする。フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、飽和電荷量に対応する電圧Ｖ７（例えば、０Ｖ程度）に達すると、それ以上は低下しなくなる。
飽和電荷量を超えてフォトダイオードＰＤで生成された電荷は、転送トランジスタＴＸのチャネル部のポテンシャル障壁を越えて浮遊拡散部ＦＤに溢れ出す。このとき、スイッチトランジスタＳＷはオンのため、フォトダイオードＰＤから溢れ出した電荷は、電流Ｉ＿ＤＩＯとして、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯに流れ込む。この結果として、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯからスイッチトランジスタＳＷ及び転送トランジスタＴＸを介してフォトダイオードＰＤへと流れる電流が、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤである。ｐｎ接合ダイオードＤＩＯにオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤが流れることで、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、図５（ａ）に示すＩ－Ｖ特性に応じた電圧Ｖ１１となる。すなわち、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤに溢れ出る電荷に基づく電流を対数圧縮することにより得た電圧が、電圧Ｖ１１である。電圧Ｖ１０と電圧Ｖ１１との差分の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定されたｐｎ接合ダイオードＤＩＯにオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤが流れることにより変化する浮遊拡散部ＦＤの電圧に相当する。
次いで、時刻ｔ９において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをハイレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオンにする。これにより、画素１２が再び選択され、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ、すなわち電圧Ｖ１１に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。電圧Ｖ１１に応じた出力信号が、対数圧縮信号Ｓ１となる。図７（ｄ）は、時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１０において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｗをローレベルに制御し、スイッチトランジスタＳＷをオフにする。これにより、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯが浮遊拡散部ＦＤから切り離され、電流Ｉ＿ＤＩＯが流れなくなる。
次いで、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓをハイレベル（電圧Ｖ３）に制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳがオンとなり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ１が書き込まれる。
次いで、時刻ｔ１２において制御信号ｐｒｅｓがローレベル（電圧Ｖ５）となりリセットトランジスタＲＥＳがオフになることにより、浮遊拡散部ＦＤがフローティング状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは電圧Ｖ１２となる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ（＝Ｖ１２）に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１２である時刻ｔ１２以降に画素１２から出力される電圧信号が、リニア信号に対する基準信号Ｎ２となる。図７（ｅ）は、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをハイレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸのチャネル部のポテンシャル障壁がフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層のポテンシャルよりも低くなり、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷が浮遊拡散部ＦＤへと転送される。図７（ｆ）は、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１４において制御信号ｐｔｘがローレベルとなり転送トランジスタＴＸがオフになることにより、浮遊拡散部ＦＤがフローティング状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは電圧Ｖ１３となる。電圧Ｖ１３は、光電変換部から転送された電荷の量に比例する電圧である。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ（＝Ｖ１３）に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１３である時刻ｔ１４以降に画素１２から出力される電圧信号が、リニア信号Ｓ２となる。図７（ｇ）は、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１５において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをローレベルに制御する。これにより、選択トランジスタＳＥＬがオフとなり、画素１２の選択が解除される。
次いで、時刻ｔ１６において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓをハイレベルに制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳがオンとなり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１に応じた所定の電位にリセットされる。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１に等しい電圧Ｖ８に静定することで（時刻ｔ１７を参照）、画素１２は時刻ｔ０に対応する初期状態に戻る。
固体撮像装置１００をこのように駆動することで、浮遊拡散部ＦＤに現れる電圧に基づいて、対数圧縮信号に対する基準信号Ｎ１、対数圧縮信号Ｓ１、リニア信号に対する基準信号Ｎ２、リニア信号Ｓ２を取得することができる。
ここで、リニア信号Ｓ２からノイズ成分である基準信号Ｎ２を差し引いた電圧Ｖｂ（＝｜Ｖ１３－Ｖ１２｜）は、浮遊拡散部ＦＤの容量をＣｆｄ、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷の量をＱとして、Ｑ／Ｃｆｄで表される。また、対数圧縮信号Ｓ１からノイズ成分である基準信号Ｎ１を差し引いた電圧Ｖａは、スロープファクターをＳ、ＦＤ容量をＣｆｄ、積分期間をｔ８－ｔ６、積分期間に対する補正係数をｋ１として、リニア信号に換算することができる。ここで、電圧Ｖａは、Ｖａ＝｜Ｖ１１－Ｖ１０｜である。スロープファクターＳは、Ｓ＝６０ｍＶ／ｄｅｃである。補正係数ｋ１は、オーバーフロー電流に寄与しないフォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷分を減算するものである。すなわち、時刻ｔ６から時刻ｔ８の期間においてｐｎ接合ダイオードＤＩＯに流れる電流をＩ＿ＤＩＯ（例えば、１×１０－１２Ａ）とすると、電圧Ｖａをリニア信号に変換した電圧Ｖｃは、以下の式（１）のように表される。
Ｖｃ＝１／Ｃｆｄ×１０＾（Ｖａ／Ｓ）
×Ｉ＿ＤＩＯ×ｋ１×（ｔ８－ｔ６） …（１）
電圧Ｖｂ及び電圧Ｖｃは同じディメンジョンの値として表されるため、光量は、両者を加算したＶｂ＋Ｖｃに対して線形な値として求めることができる。
このように、本実施形態によれば、ダイオードのサブスレショルド特性を利用して得られる対数圧縮信号と、フォトダイオードに蓄積された電荷の転送動作によって読み出されるリニア信号と、を連続して読み出すことができる。これにより、時間同時性に優れた対数圧縮信号とリニア信号とに基づき、ダイナミックレンジの広い高品質な画像を取得することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図８乃至図１１を用いて説明する。第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
はじめに、本実施形態による固体撮像装置について、図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図９は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。
本実施形態による固体撮像装置は、図８及び図９に示すように、画素１２がｐｎ接合ダイオードＤＩＯ及びスイッチトランジスタＳＷを有していないほかは、第１実施形態による固体撮像装置の画素１２と同様である。本実施形態による固体撮像装置では、第１実施形態による固体撮像装置におけるｐｎ接合ダイオードＤＩＯ及びスイッチトランジスタＳＷの機能を、リセットトランジスタＲＥＳにより実現する。つまり、本実施形態では、リセットトランジスタＲＥＳが対数圧縮変換部としての機能を有する。
本実施形態では、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤがリセットトランジスタＲＥＳを介して浮遊拡散部ＦＤに流れ込むようにポテンシャル設計を施すことにより、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤを光出力の一部として活用する。浮遊拡散部ＦＤにリセットトランジスタＲＥＳを介してオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤを流し、浮遊拡散部ＦＤの電圧を対数圧縮電圧として取り出すことにより、高光量の入射光を比較的扱いやすい電圧振幅（～０．５Ｖ）で読み出すことができる。
なお、本実施形態において、制御信号ｐｒｅｓは、少なくとも、第１のレベルと、第２のレベルと、第３のレベルと、を含む。第１のレベルは、リセットトランジスタＲＥＳをオン状態（強反転状態）に制御するレベルの電圧（例えば電源電圧）である。第２のレベルは、リセットトランジスタＲＥＳをオフ状態（蓄積状態）に制御するレベルの電圧（例えばＧＮＤ電圧）である。第３のレベルは、第１のレベルと第２のレベルとの間のレベルであって、リセットトランジスタＲＥＳをオン状態（弱反転状態）に制御するレベルの電圧（例えば電源電圧－０．５Ｖ）である。
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。図１１は、本実施形態による固体撮像装置の動作を示すポテンシャル図である。
図１０は、１つの画素１２に着目して１フレーム分の動作を表したタイミングチャートである。図には、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄ、制御信号ｐｓｅｌ，ｐｒｅｓ，ｐｔｘ、電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄ、電圧Ｖ＿ＰＤ、電圧Ｖ＿ＦＤを示している。リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄ，制御信号ｐｓｅｌ，ｐｒｅｓ，ｐｔｘ、電圧Ｖ＿ＰＤ及び電圧Ｖ＿ＦＤは、図６と同様である。電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄは、リセットトランジスタＲＥＳに流れる電流である。画素１２を構成する各トランジスタはＮ型トランジスタであり、ハイレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンになり、ローレベルの制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフになるものとする。
時刻ｔ０より前において、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄは電圧Ｖ１、制御信号ｐｒｅｓはハイレベル（電圧Ｖ３）、制御信号ｐｓｅｌ，ｐｔｘはローレベルであるものとする。この状態においてリセットトランジスタＲＥＳはオンであり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ１が書き込まれる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、電圧Ｖ１に等しい電圧Ｖ８となる。電圧Ｖ１（リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄ）は、例えば電源電圧の３．３Ｖに設定することができる。
次いで、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをハイレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸがオンとなり、フォトダイオードＰＤは、リセットトランジスタＲＥＳ及び転送トランジスタＴＸを介して、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄに応じた電圧にリセットされる。このとき、フォトダイオードＰＤは空乏化するため、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、空乏化電圧（電圧Ｖ６、例えば２．０Ｖ）までは上昇するが、電圧Ｖ＿ＦＤと同じ電圧にはならない。以上の動作により、フォトダイオードＰＤ内の電荷が総て排出される。
次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをローレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸがオフとなり、フォトダイオードＰＤは浮遊拡散部ＦＤから切り離されフローティング状態となる。そして、光入射によりフォトダイオードＰＤで発生した電荷は、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積層に蓄積されていく。時刻ｔ１は、フォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積の開始時刻である。時刻ｔ１以降、フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、フォトダイオードＰＤへの電荷の蓄積に伴って電圧Ｖ６から徐々に低下していく。図１１（ａ）は、フォトダイオードＰＤにおける電荷蓄積の開始直後（時刻ｔ１）におけるポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ２において、垂直走査回路２０又は制御回路６０により、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄを、電圧Ｖ１から、電圧Ｖ１よりも低い電圧である電圧Ｖ２に制御する。電圧Ｖ２は、例えば１．０Ｖに設定することができる。このとき、リセットトランジスタＲＥＳはオンであり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ２が書き込まれる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤを、電圧Ｖ８よりも低い電圧である電圧Ｖ９に設定する。
次いで、時刻ｔ３において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓを、ハイレベルの電圧（電圧Ｖ３）よりも低くローレベルの電圧（電圧Ｖ２：図６参照）よりも高い中間の電圧Ｖ４に制御する。電圧Ｖ４は、リセットトランジスタＲＥＳがオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤに対してサブスレショルド領域で動作するレベルの電圧、例えば電源電圧よりも０．５Ｖ低い電圧（２．８Ｖ）に設定することができる。図１１（ｂ）は、時刻ｔ３の直後におけるポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ４において、垂直走査回路２０又は制御回路６０により、リセット電圧Ｖ＿ＲＥＳ＿Ｄを、電圧Ｖ２から、電圧Ｖ１に制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳに、図５（ｂ）に示すＩｄｓ－Ｖｇｓ特性に応じた電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄが流れ、浮遊拡散部ＦＤの電位が上昇していく。これに伴い、リセットトランジスタＲＥＳのゲート－ソース間の電圧Ｖｇｓが小さくなっていき、リセットトランジスタＲＥＳの閾値電圧付近において電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄが急激に減少する。この結果、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、ｐｎ接合ダイオードＤＩＯの閾値電圧に応じた電圧Ｖ１０となる。すなわち、電圧Ｖ１０は、リセットトランジスタＲＥＳをサブスレショルド領域で動作したときにリセットトランジスタＲＥＳの閾値電圧に応じて定められる電圧である。
時刻ｔ５は、リセットトランジスタＲＥＳのゲート－ソース間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧未満となって電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄが流れなくなり（リセットトランジスタＲＥＳがオフ）、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１０となる時刻である。図１１（ｃ）は、時刻ｔ５の直後におけるポテンシャル図である。
また、同じく時刻ｔ４において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをハイレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオンにする。これにより、画素１２が選択状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤに応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１０である時刻ｔ５以降に画素１２から出力される電圧信号が、対数圧縮信号に対する基準信号Ｎ１となる。
次いで、時刻ｔ５以降の時刻ｔ７において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをローレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオフにする。これにより、画素１２の選択が解除される。
続く時刻ｔ８において、時刻ｔ１から開始されているフォトダイオードＰＤにおける電荷の蓄積動作により、電荷蓄積層に蓄積されている電荷の量がフォトダイオードＰＤの飽和電荷量を超えたものとする。フォトダイオードＰＤの電圧Ｖ＿ＰＤは、飽和電荷量に対応する電圧Ｖ７（例えば、０Ｖ程度）に達すると、それ以上は低下しなくなる。
飽和電荷量を超えてフォトダイオードＰＤで生成された電荷は、転送トランジスタＴＸのチャネル部のポテンシャル障壁を越えて浮遊拡散部ＦＤに溢れ出す。このとき、リセットトランジスタＲＥＳは弱反転状態のため、フォトダイオードＰＤから溢れ出した電荷は、電流Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄとして、リセットトランジスタＲＥＳに流れ込む。この結果として、リセットトランジスタＲＥＳ及び転送トランジスタＴＸを介してフォトダイオードＰＤへと流れる電流が、オーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤである。リセットトランジスタＲＥＳにオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤが流れることで、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは、図５（ｂ）に示すＩｄｓ－Ｖｇｓ特性に応じた電圧Ｖ１１となる。すなわち、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤに溢れ出る電荷に基づく電流を対数圧縮することにより得た電圧が、電圧Ｖ１１である。電圧Ｖ１０と電圧Ｖ１１との差分の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定されたリセットトランジスタＲＥＳにオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤが流れることにより変化する浮遊拡散部ＦＤの電圧に相当する。
次いで、時刻ｔ９において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをハイレベルに制御し、選択トランジスタＳＥＬをオンにする。これにより、画素１２が再び選択され、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ、すなわち電圧Ｖ１１に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。電圧Ｖ１１に応じた出力信号が、対数圧縮信号Ｓ１となる。図１１（ｄ）は、時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓを中間レベル（電圧Ｖ４）からハイレベル（電圧Ｖ３）に制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳがオンとなり、浮遊拡散部ＦＤにはリセットトランジスタＲＥＳを介して電圧Ｖ１が書き込まれる。
次いで、時刻ｔ１２において制御信号ｐｒｅｓがローレベル（電圧Ｖ５）となりリセットトランジスタＲＥＳがオフになることにより、浮遊拡散部ＦＤがフローティング状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは電圧Ｖ１２となる。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ（＝Ｖ１２）に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１２である時刻ｔ１２以降に画素１２から出力される電圧信号が、リニア信号に対する基準信号Ｎ２となる。図１１（ｅ）は、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の期間において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｔｘをハイレベルに制御する。これにより、転送トランジスタＴＸのチャネル部のポテンシャル障壁がフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層のポテンシャルよりも低くなり、フォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷が浮遊拡散部ＦＤへと転送される。図１１（ｆ）は、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１４において制御信号ｐｔｘがローレベルとなり転送トランジスタＴＸがオフになることにより、浮遊拡散部ＦＤがフローティング状態となり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤは電圧Ｖ１３となる。電圧Ｖ１３は、光電変換部から転送された電荷の量に比例する電圧である。これにより、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤ（＝Ｖ１３）に応じた信号が、増幅トランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して出力線１６に出力される。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１３である時刻ｔ１４以降に画素１２から出力される電圧信号が、リニア信号Ｓ２となる。図１１（ｇ）は、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の期間に対応するポテンシャル図である。
次いで、時刻ｔ１５において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｓｅｌをローレベルに制御する。これにより、選択トランジスタＳＥＬがオフとなり、画素１２の選択が解除される。
次いで、時刻ｔ１６において、垂直走査回路２０により、制御信号ｐｒｅｓをハイレベルに制御する。これにより、リセットトランジスタＲＥＳがオンとなり、浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１に応じた所定の電位にリセットされる。浮遊拡散部ＦＤの電圧Ｖ＿ＦＤが電圧Ｖ１に等しい電圧Ｖ８に整定することで（時刻ｔ１７を参照）、画素１２は時刻ｔ０に対応する初期状態に戻る。
固体撮像装置１００をこのように駆動することで、浮遊拡散部ＦＤに現れる電圧に基づいて、対数圧縮信号に対する基準信号Ｎ１、対数圧縮信号Ｓ１、リニア信号に対する基準信号Ｎ２、リニア信号Ｓ２を取得することができる。
ここで、リニア信号Ｓ２からノイズ成分である基準信号Ｎ２を差し引いた電圧Ｖｂ（＝｜Ｖ１３－Ｖ１２｜）は、浮遊拡散部ＦＤの容量をＣｆｄ、浮遊拡散部ＦＤに転送された電荷の量をＱとして、Ｑ／Ｃｆｄで表される。また、対数圧縮信号Ｓ１からノイズ成分である基準信号Ｎ１を差し引いた電圧Ｖａは、スロープファクターをＳ、ＦＤ容量をＣｆｄ、積分期間をｔ８－ｔ５、積分期間に対する補正係数ｋ１として、リニア信号に換算することができる。ここで、電圧Ｖａは、Ｖａ＝｜Ｖ１１－Ｖ１０｜である。スロープファクターＳは、Ｓ＝１００ｍＶ／ｄｅｃである。補正係数ｋ１は、オーバーフロー電流に寄与しないフォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷分を減算するものである。すなわち、時刻ｔ５から時刻ｔ８の期間においてリセットトランジスタＲＥＳに流れる電流をＩ＿ＲＥＳ＿Ｄ（例えば、１×１０－１２Ａ）とすると、電圧Ｖａをリニア信号に変換した電圧Ｖｃは、以下の式（２）のように表される。
Ｖｃ＝１／Ｃｆｄ×１０＾（Ｖａ／Ｓ）
×Ｉ＿ＲＥＳ＿Ｄ×ｋ１×（ｔ８－ｔ５） …（２）
電圧Ｖｂ及び電圧Ｖｃは同じディメンジョンの値として表されるため、光量は、両者を加算したＶｂ＋Ｖｃに対して線形な値として求めることができる。
このように、本実施形態によれば、ＭＯＳトランジスタのサブスレショルド特性を利用して得られる対数圧縮信号と、フォトダイオードに蓄積された電荷の転送動作によって読み出されるリニア信号と、を連続して読み出すことができる。これにより、時間同時性に優れた対数圧縮信号とリニア信号とに基づき、ダイナミックレンジの広い高品質な画像を取得することができる。
また、本実施形態では、リセットトランジスタＲＥＳを利用して対数圧縮信号を取得するため、本発明を適用するにあたり画素１２自体の構成を変更する必要はない。これにより、取得画像の解像度を犠牲にすることなく本発明の効果を奏することができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置の信号処理方法について、図１２及び図１３を用いて説明する。
本実施形態では、第１及び第２実施形態による固体撮像装置により取得した信号の処理方法について説明する。本実施形態で説明する信号処理は、固体撮像装置と同一のチップ内に配された信号処理部において実施してもよいし、固体撮像装置の外部の信号処理部において実施してもよい。例えば、本実施形態で説明する信号処理は、列信号処理回路３０の後段に設けられた図示しない信号処理部において実行することができる。或いは、第１又は第２実施形態による固体撮像装置を用いて後述する第４実施形態による撮像システムを構成する場合、本実施形態で説明する信号処理は、撮像装置２０１又は信号処理部２０８において実行することができる。なお、本実施形態で説明する信号処理は、アナログ画素信号に対して行ってもよいし、列信号処理回路３０等がＡ／Ｄ変換回路を含む場合にあってはデジタル画素信号に対して行ってもよい。
図１２は、本実施形態による固体撮像装置の信号処理方法を示すフローチャートである。本実施形態による固体撮像装置の信号処理方法は、図１２に示すステップＳ１０１からステップＳ１１０に従って実行される。
まず、第１又は第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法の手順と同様にして、対数圧縮信号に対する基準信号Ｎ１を取得する（ステップＳ１０１）。
次いで、第１又は第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法の手順と同様にして、対数圧縮信号Ｓ１を取得する（ステップＳ１０２）。
次いで、ステップＳ１０１で取得した基準信号Ｎ１と、ステップＳ１０２で取得した対数圧縮信号Ｓ１とに基づき、電圧Ｖａを取得する（ステップＳ１０３）。電圧Ｖａは、基準信号Ｎ１の電圧をＶ１０、対数圧縮信号Ｓ１の電圧をＶ１１として、Ｖ１１－Ｖ１０により算出することができる。
次いで、ステップＳ１０３で取得した電圧Ｖａに基づき、式（１）又は式（２）により、電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ１０４）。
次いで、第１又は第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法の手順と同様にして、リニア信号に対する基準信号Ｎ２を取得する（ステップＳ１０５）。
次いで、第１又は第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法の手順と同様にして、リニア信号Ｓ２を取得する（ステップＳ１０６）。
次いで、ステップＳ１０５で取得した基準信号Ｎ２と、ステップＳ１０６で取得したリニア信号Ｓ２とに基づき、電圧Ｖｂを取得する（ステップＳ１０７）。電圧Ｖｂは、基準信号Ｎ２の電圧をＶ１２、リニア信号Ｓ２の電圧をＶ１３として、Ｖ１３－Ｖ１２により算出することができる。
次いで、電圧Ｖｂが、ｋ２×Ｖｑｓａｔよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ここで、電圧Ｖｑｓａｔは、フォトダイオードＰＤの飽和電荷量Ｑに対応する画素１２の出力電圧である。また、ｋ２は補正係数であり、０．５～１の範囲を取りうる。この補正係数ｋ２は飽和電荷量Ｑに応じた値であり、適宜増減するようにしてもよい。
判定の結果、電圧Ｖｂがｋ２×Ｖｑｓａｔよりも大きい場合にはステップＳ１０９へ移行し、入射光量に対応する出力信号として、Ｖｂ＋Ｖｃを出力する。判定の結果、電圧Ｖｂがｋ２×Ｖｑｓａｔ以下の場合にはステップＳ１１０へ移行し、入射光量に対応する出力信号として、Ｖｂを出力する。すなわち、リニア信号として取得された電圧ＶｂがフォトダイオードＰＤの飽和電荷量Ｑに対応する出力電圧に対して一定以上のレベルを満たしている場合に限り、対数圧縮信号として取得された電圧Ｖｃを出力に加えることとしている。
なお、図１２に示すフローチャートは、本実施形態による基本的な信号処理手順を例示したものであり、ステップＳ１０８の判定に至るまでの処理の順序は適宜変更が可能である。例えば、ステップＳ１０３及びステップＳ１０４は、ステップＳ１０６或いはステップＳ１０７の後に行ってもよい。また、ステップＳ１０８では、電圧Ｖｂがｋ２×Ｖｑｓａｔを超えるか否かを判定の基準としているが、判定の基準は飽和電荷量Ｑに応じた所定値であればよく、必ずしも電圧Ｖｑｓａｔのｋ２倍の値を基準にする必要はない。例えば、サンプルによってｋ２の値を適宜増減するようにしてもよい。
図１３は、第１及び第２実施形態による固体撮像装置の光電変換特性を示すグラフである。横軸は光量を示し、縦軸は線形軸で表示したセンサ出力電圧を示している。図１３中、破線は電圧Ｖａの光電変換特性であり、一点鎖線は電圧Ｖｂの光電変換特性であり、二点鎖線は電圧Ｖｃの光電変換特性であり、実線は電圧（Ｖｂ＋Ｖｃ）の光電変換特性である。
電圧Ｖｂは、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷量が飽和電荷量Ｑに達するまでは入射光量に比例して増加するが、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷量が飽和電荷量Ｑを超えると電圧Ｖｑｓａｔで飽和する。電圧Ｖａは、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷量が飽和電荷量Ｑに到達した時点の光量から出現している。これは、電圧Ｖａが、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷量が飽和電荷量Ｑに到達した後にオーバーフロー電流Ｉ＿ＯＦＤとして出現することに対応している。つまり、電圧Ｖｑｓａｔに対応する光量以下において電圧Ｖａとして現れる信号は、光信号ではないと考えてもよい。したがって、図１２に示すフローを用いて出力判定を行うことで、低光量における信号品質を向上することができる。
このように、本実施形態によれば、時間同時性に優れた対数圧縮信号とリニア信号とを合成し、ダイナミックレンジの広い高品質な画像を取得することができる。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
上記第１乃至第３実施形態で述べた固体撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１５には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
図１５に例示した撮像システム２００は、撮像装置２０１、被写体の光学像を撮像装置２０１に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、撮像装置２０１に光を集光する光学系である。撮像装置２０１は、第１乃至第３実施形態のいずれかで説明した固体撮像装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。
撮像システム２００は、また、撮像装置２０１より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置２０１が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置２０１とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置２０１と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。
撮像システム２００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
さらに撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、撮像装置２０１と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は少なくとも撮像装置２０１と、撮像装置２０１から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。
撮像装置２０１は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、撮像装置２０１から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。
このように、本実施形態によれば、第１乃至第３実施形態による固体撮像装置１００を適用した撮像システムを実現することができる。
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
図１６（ａ）は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム３００は、撮像装置３１０を有する。撮像装置３１０は、上記第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の固体撮像装置１００である。撮像システム３００は、撮像装置３１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部３１２と、撮像システム３００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部３１４を有する。また、撮像システム３００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部３１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部３１８と、を有する。ここで、視差取得部３１４や距離取得部３１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部３１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
撮像システム３００は車両情報取得装置３２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ３３０が接続されている。また、撮像システム３００は、衝突判定部３１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置３４０とも接続されている。例えば、衝突判定部３１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ３３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置３４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム３００で撮像する。図１６（ｂ）に、車両前方（撮像範囲３５０）を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置３２０が、撮像システム３００ないしは撮像装置３１０に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。
上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
例えば、上記第１実施形態では、対数圧縮変換部を構成するダイオードＤＩＯとしてｐｎ接合ダイオードを適用した例を説明したが、対数圧縮変換部を構成するダイオードは、必ずしもｐｎ接合ダイオードである必要はない。対数圧縮変換部を構成するダイオードＤＩＯは、例えば図１４に示すように、ＭＯＳトランジスタのゲートとドレインとを短絡したＭＯＳダイオードにより構成してもよい。
また、上記実施形態では、信号電荷として電子を用いる場合を例にして説明したが、信号電荷は正孔であってもよい。この場合、上述した半導体領域の導電型を逆転し、トランジスタに供給する信号レベルを反転すればよい。
また、上記第４及び第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図１５及び図１６に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
ＤＩＯ…ｐｎ接合ダイオード
ＦＤ…浮遊拡散部
ＰＤ…フォトダイオード
ＲＥＳ…リセットトランジスタ
ＳＦ…増幅トランジスタ
ＳＷ…スイッチトランジスタ
ＴＸ…転送トランジスタ
１２…画素

Claims (32)

  1. 第１の電源電圧が供給され、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された第１のノード及び前記第１の電源電圧とは異なる第２の電源電圧が供給される第２のノードを有するダイオードと、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、
    前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記ダイオードを介して流れる前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、
    前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、
    前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記入力ノードと前記転送部とに接続されたリセットトランジスタを更に有する
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記第１の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定された前記ダイオードに前記電流が流れることにより変化する前記入力ノードの電圧に相当する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された対数圧縮変換部と、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、
    前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記対数圧縮変換部が対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、
    前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、
    前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、
    前記第１の信号及び前記第２の信号の各々に対して所定の信号処理を実施する信号処理部を更に有し、
    前記信号処理部は、
    前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、
    前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  5. 前記対数圧縮変換部は、前記入力ノードに接続されたダイオードを有し、
    前記第１の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定された前記ダイオードに前記電流が流れることにより変化する前記入力ノードの電圧に相当する
    ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
  6. 前記ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードである
    ことを特徴とする請求項１乃至３及び５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記ダイオードは、ＭＯＳトランジスタのゲートとドレインとを短絡したＭＯＳダイオードである
    ことを特徴とする請求項１乃至３及び５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記ダイオードは、前記入力ノードに接続された第１のノードと、前記光電変換部に供給される第２の電源電圧とは異なる第１の電源電圧が供給される第２のノードと、を有する
    ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記ダイオードと前記入力ノードとの間に設けられたスイッチを更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至３及び５乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記対数圧縮変換部は、前記入力ノードに接続されたＭＯＳトランジスタを有し、
    前記第１の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定された前記ＭＯＳトランジスタに前記電流が流れることにより変化する前記入力ノードの電圧に相当する
    ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
  11. 前記ＭＯＳトランジスタは、前記入力ノードをリセットするためのリセットトランジスタである
    ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置。
  12. 前記電荷電圧変換部は、前記入力ノードに結合された容量成分である
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  13. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続されたダイオードと、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第１の電圧とし、
    前記光電変換部から前記入力ノードに電荷を転送し、
    前記入力ノードに転送された前記電荷を対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第２の電圧とし、
    前記増幅部が、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、
    前記ダイオードによって前記対数圧縮が行われ、
    前記ダイオードの閾値電圧に応じて定められる第３の電圧に前記入力ノードを設定する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  14. 前記第３の電圧に前記入力ノードを設定したときの前記増幅部の出力を、前記第１の信号に対する基準信号として取得する
    ことを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置の駆動方法。
  15. 前記ダイオードを前記閾値電圧よりも高い動作点に設定する第４の電圧に前記入力ノードを設定した後、前記入力ノードの電荷を排出して前記ダイオードをオフにすることにより、前記入力ノードを前記第３の電圧に設定する
    ことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置の駆動方法。
  16. 前記第１の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定された前記ダイオードに前記電流が流れることにより変化する前記入力ノードの電圧に相当する
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  17. 前記ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードである
    ことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  18. 前記ダイオードは、ＭＯＳトランジスタのゲートとドレインとを短絡したＭＯＳダイオードである
    ことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  19. 前記ダイオードと前記入力ノードとの間に設けられたスイッチを更に有する
    ことを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  20. 前記ダイオードは、前記入力ノードに接続された第１のノードと、前記光電変換部に供給される第２の電源電圧とは異なる第１の電源電圧が供給される第２のノードと、を有する
    ことを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  21. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続されたＭＯＳトランジスタと、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第１の電圧とし、
    前記光電変換部から前記入力ノードに電荷を転送し、
    前記入力ノードに転送された前記電荷を対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧を第２の電圧とし、
    前記増幅部が、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力し、
    前記ＭＯＳトランジスタによって前記対数圧縮が行われ、
    前記ＭＯＳトランジスタをサブスレショルド領域で動作したときに前記ＭＯＳトランジスタの閾値電圧に応じて定められる第３の電圧に前記入力ノードを設定する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  22. 前記第３の電圧に前記入力ノードを設定したときの前記増幅部の出力を、前記第１の信号に対する基準信号として取得する
    ことを特徴とする請求項２１記載の固体撮像装置の駆動方法。
  23. 前記ＭＯＳトランジスタは、前記入力ノードに接続されたソースと、所定の電圧が供給されるドレインと、動作を制御する制御信号が供給されるゲートとを含み、
    前記ドレインに第４の電圧を供給した状態で前記ＭＯＳトランジスタをオンにして前記入力ノードを前記第４の電圧に設定した後、前記ゲートに前記ＭＯＳトランジスタを前記サブスレショルド領域で動作する制御信号を供給した状態で、前記ドレインに供給する電圧を前記第４の電圧から前記第４の電圧よりも高い第５の電圧に切り替えて前記入力ノードの電荷を排出し、前記ＭＯＳトランジスタをオフにすることにより、前記入力ノードを前記第３の電圧に設定する
    ことを特徴とする請求項２２記載の固体撮像装置の駆動方法。
  24. 前記第１の電圧は、動作点がサブスレショルド領域に設定された前記ＭＯＳトランジスタに前記電流が流れることにより変化する前記入力ノードの電圧に相当する
    ことを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  25. 前記ＭＯＳトランジスタは、前記入力ノードをリセットするためのリセットトランジスタである
    ことを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  26. 前記入力ノードに結合された容量成分により電荷電圧変換を行う
    ことを特徴とする請求項１３乃至２５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  27. 前記入力ノードを所定のリセット電圧に設定したときの前記増幅部の出力を、前記第２の信号に対する基準信号として取得する
    ことを特徴とする請求項１３乃至２６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  28. 前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、
    前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する
    ことを特徴とする請求項１３乃至２７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  29. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
    を有することを特徴とする撮像システム。
  30. 前記信号処理部は、
    前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、
    前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する
    ことを特徴とする請求項２９記載の撮像システム。
  31. 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部に接続された転送部と、前記転送部に接続された入力ノードを備える増幅部と、前記入力ノードに接続された対数圧縮変換部と、前記入力ノードに接続された電荷電圧変換部とを有し、
    前記転送部が非導通の状態において前記光電変換部から前記入力ノードに溢れ出る電荷によって生じる電流を、前記対数圧縮変換部が対数圧縮によって前記電流に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第１の電圧となり、
    前記転送部が導通することによって前記光電変換部から前記入力ノードに転送される電荷を、前記電荷電圧変換部が前記電荷に対応する電圧に変換することによって、前記入力ノードの電圧が第２の電圧となり、
    前記増幅部は、前記第１の電圧に基づく第１の信号と、前記第２の電圧に基づく第２の信号とを出力することを特徴とする固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有する撮像システムであって、
    前記信号処理部は、
    前記第２の電圧が所定の電荷量に応じた所定値を超えていない場合には、前記第２の信号を出力し、
    前記第２の電圧が前記所定値を超えている場合には、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力する
    ことを特徴とする撮像システム。
  32. 移動体であって、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。
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